無人船系統(tǒng)在淮安四線船閘工程流量測驗中的應用

周紹陽，陳健健，蔣建平

摘要：無人船憑借其靈敏性強、運行速度快、方便便捷等優(yōu)勢，目前已廣泛應用于水質(zhì)監(jiān)測及水下地形測量領(lǐng)域，但在水文流量測驗領(lǐng)域應用較少。主要介紹了無人船系統(tǒng)的組成、測流原理以及技術(shù)優(yōu)勢，并結(jié)合淮安四線船閘工程水文流量測驗，詳細介紹無人船系統(tǒng)測流的方法并分析影響測驗精度的因素。結(jié)果表明：基于北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無人船自動控制技術(shù)的無人船系統(tǒng)，不僅提高了測流效率，降低了人員涉水風險，且在復雜水域條件下，精度可靠。

關(guān)鍵詞：流量測驗； 無人船； ADCP； 淮安四線船閘

中圖法分類號：P332.4文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.003

文章編號：1006-0081（2023）09-0015-05

0引言

流量是單位時間內(nèi)通過江河某一橫斷面的水體體積，是反映江河等水體水量變化的基本數(shù)據(jù)，也是河流最重要的水文特征值［1］。傳統(tǒng)的流速儀、浮標等測流方法逐漸被走航式聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）測流方法取代 ［2-4］。然而，基于纜道拖拽三體船的走航式ADCP測流，需要布設纜道，適用于斷面窄且無通航需求的基本水文斷面，在工程流量測驗中應用較少，基于人工船的走航式ADCP測流，在實際工程應用中普遍存在租船困難、儀器安裝費時、面對淺灘水域測量精度不高等問題［5-7］。無人船是無人駕駛船的簡稱，一般是以有動力的船體為平臺，搭載通訊設備、控制設備和特殊功能設備，開展某項特殊工作［8］。當前無人船的研究主要集中在軍事領(lǐng)域［9-10］，近年來，隨著科技的發(fā)展，基于北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無人船自動控制技術(shù)的無人船測量系統(tǒng)日漸成熟，目前已廣泛應用于水質(zhì)監(jiān)測、水下地形測量等方面，但在水文測量的應用較少［11-13］。

工程流量測驗區(qū)別于水文站流量監(jiān)測，水文站流量監(jiān)測斷面是通過勘查分析確定的，一般情況下斷面與水流變化穩(wěn)定，而工程流量測驗都是臨時布置的測驗斷面，斷面水流、泥沙特性復雜。船閘工程流量測驗，不僅需要考慮流量測驗斷面特性，還需考慮其他配套水利工程運行情況、船舶通航等因素，對流量測驗時機、精度以及安全要求更高。為解決上述難題，嘗試將無人船系統(tǒng)應用于船閘工程流量測驗。本文主要介紹華微4號無人船系統(tǒng)的組成、測流原理以及技術(shù)優(yōu)勢，并以淮安四線船閘工程流量測驗為例，詳細說明無人船系統(tǒng)測流的方法并分析測驗數(shù)據(jù)，驗證無人船系統(tǒng)測流的可行性。

1無人船系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

無人船系統(tǒng)依靠無人船平臺，集成導航模塊、測深系統(tǒng)、GNSS定位定向系統(tǒng)、岸基操控等模塊為一體，搭載ADCP，可實現(xiàn)快速、高效獲取斷面流量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分為船體、通訊單元、控制單元、數(shù)據(jù)采集單元等，各部分簡介如下。圖1為華微4號無人船。

（1） 船體。作為搭載測量和通信設備的基本平臺，華微4號是由高分子聚酯碳纖維、凱夫拉布材質(zhì)構(gòu)建的三體船，具有耐腐蝕、質(zhì)量小的特點。

（2） 通訊單元。無人船依靠通信系統(tǒng)的實時射頻點對點通信方式實現(xiàn)和岸基控制單元的相互通信，將無人船的工作狀態(tài)、姿態(tài)、測量數(shù)據(jù)等傳輸?shù)桨痘到y(tǒng)。華微4號可采用電臺、4G通信以及網(wǎng)橋的方式進行通信。

（3） 控制單元。借助便攜式計算機、遙控器以及通信單元實現(xiàn)無人船的航行控制。根據(jù)現(xiàn)場水域環(huán)境，測量人員可自主選擇自動和手動兩種控制方式，且可在兩種控制方式中自由切換。同時，通過AutoPlanner無人船控制軟件可實現(xiàn)任務規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、自主導航、船體參數(shù)控制等功能。

（4） 數(shù)據(jù)采集單元。華微4號的水深、三維坐標和羅經(jīng)、流量數(shù)據(jù)分別通過內(nèi)置在船體的測深儀、GNSS和ADCP采集，數(shù)據(jù)通過通信天線實時傳輸給岸基控制系統(tǒng)。華微4號主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2測流原理

基于無人船系統(tǒng)的流量測驗實質(zhì)是走航式ADCP流量測驗，其基本原理為聲學多普勒效應。ADCP測量流速剖面，其換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后聆聽被水體中顆粒物散射回來的聲波［14］。聲學多普勒頻移則由下式確定：

Fd=2FsVC（1）

式中，F(xiàn)d為聲學多普勒頻移，Hz；Fs為發(fā)射波頻率，Hz；V為顆粒物沿聲束方向的移動速度，m/s；C為聲波在水中的傳播速度，m/s。

根據(jù)公式（1）便可計算出水流速度。計算公式如下：

V′=1000FdC′2FscosA（2）

式中，V′為水流速度，m/s；C′為ADCP換能器表面處的聲速，m/s；A為波束方向與流速方向的夾角，（°）。

通過無人船搭載ADCP進行的流量測驗是基于“流速面積法”實現(xiàn)的，流量計算公式如下：

Q=S（u·n）ds（3）

式中，Q為流量；S為河流某斷面面積；u為河流斷面某點處流速矢量；n為作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；ds為河流斷面上微元面積。

1.3技術(shù)優(yōu)勢

華微4號無人船系統(tǒng)，結(jié)合了北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無人船自動控制技術(shù)，采用水文走航式ADCP斷面水流測驗設計，具備自動航行、自適應水流直線與懸停功能。相比基于人工船的走航式ADCP流量測驗方法，具有如下優(yōu)勢：

（1） 能夠確保船體姿態(tài)平穩(wěn)、船速穩(wěn)定均勻、航線基本直線，可快速、準確測得位置、水深、流速流量等數(shù)據(jù)；

（2） 船體小巧輕便，可以車載運輸，顯著降低作業(yè)成本；

（3） 船體小、吃水淺，適用于淺水區(qū)域作業(yè)，能夠有效增加實測流量面積，提高測驗精度；

（4） 免安裝校準，避免儀器校準誤差，提高了作業(yè)效率和測驗精度；

（5） 免人員涉水，改善了作業(yè)方式，降低了安全風險。

2實測與分析

2.1工程概況

京杭運河北起北京，南至杭州，流經(jīng)北京、天津、河北、山東、江蘇、浙江6省市，溝通了海河、黃河、淮河、長江、錢塘江五大水系，全長1 797 km，是國家水運主通道?；窗泊l屬于京杭運河蘇北運河段的重要組成部分，由于現(xiàn)狀三線船閘常年滿負荷運行，待閘時間較長，水路運輸效率降低，開展淮安四線船閘工程刻不容緩。規(guī)劃建設的淮安四線船閘工程位于淮安市淮安區(qū)，包括船閘工程（新建四線船閘、上下游引航道）、橋梁工程（改建橋梁1座，新建橋梁1座）以及附屬和配套工程（航標工程、信息化工程、船閘輔助生產(chǎn)設施等）。

本次流量測驗區(qū)域位于淮安抽水三站、淮安引江閘、沙莊引江閘河道內(nèi)，共布置5條測流斷面，分別為運河大斷面CS1，沙莊引河口門CS2，船閘下游CS3，抽水三站引河CS4，淮安引江閘斜引河CS5，具體位置見圖2。

2.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次采用華微4號無人船搭載RDI瑞普1200K ADCP開展水文流量測驗。無人船系統(tǒng)開展流量測驗主要有以下4個步驟。

（1） 安裝與調(diào)試無人船系統(tǒng)。主要有ADCP、電池組、4G天線和遙控天線的安裝以及遙控器、螺旋槳的調(diào)試等。

（2） 通信設置并設置測流參數(shù)。本次采用4G連接無人船與ADCP，并配置CORS實現(xiàn)定位定向功能，通過WinRiver測流軟件配置ADCP參數(shù)，主要參數(shù)如下：測深單元深度0.1 m，盲區(qū)0.25 m，脈沖間隔0.01 s，每組信號脈沖數(shù)4個，底部跟蹤信號數(shù)4個，測流船速＜2 m/s，GNSS采樣間隔小于0.1 s，且與ADCP同步。

（3） 規(guī)劃航線。通過AutoPlanner無人船控制軟件規(guī)劃航線。

（4） 流量測驗。① 操控無人船到測流斷面位置后停止控制，讓無人船順流漂動3 s，獲取水流方向與流速；② 操控無人船駛至岸邊并開啟懸停模式；③ 解除懸停，讓無人船自動沿垂直河流的方向駛至對岸，待達到預設位置后，無人船自動懸停，停止ADCP測驗。

通過完成上述4個步驟，無人船即可實現(xiàn)自動測流，航行一個往返，完成一個斷面的流量測驗。

圖3為航線規(guī)劃示意圖，圖4為WinRiver測流軟件界面。

2.3內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用WinRiver軟件，具體處理流程如下：

（1） 數(shù)據(jù)檢查，主要對ADCP施測數(shù)據(jù)進行回放檢查，確保數(shù)據(jù)完整、正確以及參數(shù)設置合理。

（2） 判斷是否存在“動底”，河流一般在含沙量或流速較大時，會導致ADCP一定頻率的測定“底”是沿河床運動的，此種情況稱為“動底”。無人船系統(tǒng)因集成了GNSS羅經(jīng)，通過“底”跟蹤與GGA航跡圖及羅經(jīng)校準表可判斷是否存在“動底”，本次測驗經(jīng)分析無“動底”，流量成果采用底跟蹤數(shù)據(jù)。

（3） 非實測區(qū)域推求，根據(jù)ADCP測流原理，ADCP施測的是中間部分流量，上層盲區(qū)部分、底層旁瓣部分和兩岸邊非實測區(qū)的流量需要采用相關(guān)方法推求獲得。上、下盲區(qū)的流量根據(jù)斷面實際流速分布率定推求。根據(jù)測船起點及終點位置，利用測流斷面成果計算水邊距離，再根據(jù)岸邊類型選擇合適系數(shù)推求岸邊流量。

（4） 流量計算，完成上述步驟后通過WinRiver回放軟件摘錄單次斷面總流量，并計算斷面流量。

本次流量測驗計算結(jié)果見表2。

2.4精度評價

由于本次測驗斷面控制條件各不相同，流量測驗精度差異較大，結(jié)合無人船系統(tǒng)和船閘工程特性，分類各斷面測驗精度情況，具體精度統(tǒng)計見表3。

（1） 大流量斷面CS1，該斷面較寬，水深較深，實測總流量為274 m3/s，實測流量占比約83.2%，是影響測驗精度的主要原因。雖然因測驗時機要求以及受船舶通航影響，船速較快，船速與水流速度比值達到1.68～2.38，但對測驗精度影響甚微，半測回誤差為0，測驗精度較高。

（2） 大流速、窄深型斷面CS2，該斷面較窄，水深較深，水流流速大，斷面平均流速達到0.84 m/s，是理想的測流斷面。實測流量占比約74.4%，船速與水流速度比值小。雖然右岸附近受渦流影響，船跡呈彎曲形狀，但對測驗精度影響較小，半測回誤差分別為-0.6%，0.6%，測驗精度較高。

（3） 小流速、窄深型斷面CS3，該斷面較窄，水深較深，水流流速雖小但流態(tài)穩(wěn)定，實測流量占比約為76.6%，船速與水流速度接近，最大半測回誤差為0.9%，測驗精度較高。

（4） 受紊流影響的小流量斷面CS4，該斷面相對較寬，水深較淺，實測流量占比約為68.3%，底部盲區(qū)占比較大是實測數(shù)據(jù)偏少的主要原因。受抽水三站運行影響，斷面左岸附近紊流嚴重，靠近左岸區(qū)域又是急流區(qū)，水流流速、流向變化劇烈，采用無人船系統(tǒng)自動測驗時船體姿態(tài)易失控，所以在左岸附近只能采用遙控器手動測驗，等流態(tài)穩(wěn)定后立即切換為自動測驗模式。手動測驗相比自動測驗，船體姿態(tài)不穩(wěn)，船艏擺動幅度較大。該斷面施測一個測回時精度不滿足要求，因此共施測2個測回。半測回誤差介于-2.3%～3.8%，測驗精度滿足T/CHES 61-2021《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》要求，但測驗精度一般。

（5） 受水草影響的小流量斷面CS5，該斷面特性基本與CS4一致，實測數(shù)據(jù)偏少。受水上攔污裝置影響，大片水草淤積在斷面左岸附近。為防止水草纏繞螺旋槳引起無人船系統(tǒng)失控，現(xiàn)場測驗時采用遙控器手動測驗，等避開水草區(qū)域后則立即切換為自動測驗模式。因?qū)崪y數(shù)據(jù)偏少及采用手動測驗模式，最大半測回誤差為1.6%，測驗精度一般。

2.5合理性檢查

為滿足分析需要，在流量測驗期間關(guān)閉淮安三線船閘，保證淮安抽水三站、淮安引江閘、沙莊引江閘正常運行。根據(jù)水量平衡原理，理論上CS1流量為CS2流量與CS3流量之和，CS3流量為CS4流量與CS5流量之和。實際計算結(jié)果如表2所示，CS1斷面流量的閉塞差為1.1%，CS3斷面流量的閉塞差為1.0%，流量數(shù)據(jù)合理。綜上所述，基于無人船系統(tǒng)的走航式ADCP流量測驗精度可靠，能夠滿足船閘工程水文流量測驗要求。

3結(jié)論與建議

（1） 無人船系統(tǒng)基于北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無人船自動控制技術(shù)，實現(xiàn)了自動航行和自適應水流直線功能，增加了實測流量數(shù)據(jù)數(shù)量，確保了勻速直線走航測驗，提高了流量測驗精度，降低了安全風險，提高了作業(yè)效率，能夠滿足船閘工程流量測驗的需求，在工程流量測驗領(lǐng)域有較強的推廣應用前景。

（2） 淮安四線船閘工程流量測驗驗證了基于無人船系統(tǒng)的流量測驗精度可靠，但在斷面控制條件較差的情況，比如岸邊存在水草、水流紊亂等復雜水域條件下，測驗精度會降低。建議進一步完善無人船自動控制技術(shù)，優(yōu)化無人船路徑規(guī)劃算法，以實現(xiàn)復雜流態(tài)條件下的自動測量功能；建議進一步優(yōu)化無人船感知系統(tǒng)，實現(xiàn)自動識別通航船舶、水工浮標、成片水草等障礙物并及時調(diào)整航線；建議融合ADCP與無人船控制技術(shù)，自動識別水流方向，實現(xiàn)逆水上線功能，避免順流上線時船體轉(zhuǎn)彎角度過大、速度過快引起誤差。

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（編輯：李晗）

Application of unmanned vessel in flow test of Huai′an Fourth Line?Ship Lock Project

ZHOU Shaoyang，CHEN Jianjian，JIANG Jianping

（Lower Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission，Nanjing 210011，China）

Abstract： With the advantages of high sensitivity，fast operation and convenience，the unmanned vessel has been widely used in water quality monitoring and underwater topographic survey，but less in hydrological flow measurement.This paper mainly introduced the composition，current measurement principle and technical advantages of unmanned ship system.Combined with the hydrologic flow measurement of the Huai′an Fourth Line Ship Lock Project，it introduced the method of flow measurement of the unmanned ship system in detail，and analyzed factors that affected accuracy of the flow test.The results showed that the unmanned ship system based on Beidou high-precision global positioning system and unmanned ship automatic control technology can improve the flow measurement efficiency，reduce the risk of personnel wading，and make the accuracy more reliable under complex flow conditions.

Key words： flow test； unmanned vessel； ADCP； Huai′an Fourth Line Ship Lock